3.5 永磁发电机
永磁同步发电机由于没有励磁绕组和励磁电源，采用了稀土永磁材料，功率质量比较显著，同时由于电力电子技术的发展和逆变技术可靠性的完善和发展，永磁发电机近年来得到广泛的应用。
3.5.1 永磁同步发电机的特点
稀土钴永磁和钕铁硼永磁等永磁材料于20世纪后期相继问世，它们具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异性能，因此特别适合应用在永磁同步发电机上。从此，永磁同步发电机进入了飞速发展的时代。与传统的电励磁式同步发电机相比，永磁同步发电机有以下几个方面的优点：
1）结构简单。永磁同步发电机省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构简单，加工和装配费用减少。
2）体积小。采用稀土永磁可以增大气隙磁密，并把发电机转速提高到最佳值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比。
3）效率高。由于省去了励磁用电，没有励磁损耗和电刷集电环间的摩擦、接触损耗。另外，在设置紧圈的情况下，转子表面光滑，风阻小。与凸极式交流电励磁同步发电机相比，同等功率的永磁同步发电机的总损耗大约要小10%～15%。
4）电压调整率小。处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁式同步发电机小得多，因而固有电压调整率也比电励磁式同步发电机小。
5）高可靠性。永磁同步发电机转子上没有励磁绕组，转子轴上也不需要安装集电环，因而没有电励磁式发电机上存在的励磁短路、断路、绝缘损坏、电刷集电环接触不良等一系列故障连带关系。另外，由于采用永磁体励磁，永磁同步发电机的零部件也少于一般发电机，结构简单，运行可靠。
虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛的应用前景，但从目前的实际应用情况来看，其应用仍有一定局限，未能得到大面积的推广和使用。主要原因在于永磁同步发电机采用永磁体励磁，由于永磁体的高矫顽力使得从外部调节发电机的磁场变化极为困难；由于励磁不可调，转速的变化和负载电流的变化都将造成输出电压的波动。可以说，励磁不可调整引起的输出电压不稳已经成为限制永磁同步发电机推广应用的瓶颈。
3.5.2 永磁同步发电机的结构
图3-6 永磁发电机的结构
1.整体结构
永磁同步发电机本体由定子和转子两大部分组成，如图3-6所示，定子是指发电机在运行时的固定部分，主要由硅钢片、三相
形联结的对称分布在定子槽中彼此相差120°电角度的电枢绕组、固定铁心的机壳及端盖等部分组成。转子是指发电机运行时的旋转部分，通常由转子铁心、永磁体磁钢、套环和转子转轴组成。永磁材料，尤其是钴永磁材料的抗拉强度低，质硬而脆。如果转子上无防护措施，当发电机转子直径较大或高速运行时，转子表面所承受的离心力已接近甚至超过永磁材料的抗拉强度，将使永磁体出现破坏，所以高速运行的永磁同步发电机多选用套环式转子结构。所谓套环式转子结构，就是通过一个高强度的金属材料制成的薄壁圆环紧紧地套在转子外圆或内圆处，通过套环把电机转子上的永磁体磁钢、软铁极靴都固定在相应的位置上。这样，永磁同步发电机的转子像一个完整的实心体，保证了高速运行时的可靠性。
2.转子的磁路结构与嵌入式一体化结构
永磁同步发电机的结构特点主要表现在转子上，通常，按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，可分为切向式和径向式等。
（1）切向式转子磁路的结构
在切向式转子磁路结构中，转子的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比较大。但永磁体产生并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此，切向式适合于极数多且要求气隙磁通密度高的永磁同步发电机。永磁体和极靴的固定方式采用套环式结构，如图3-7所示。
（2）径向式转子磁路的结构
径向式转子磁路结构如图3-8所示，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，在一对磁极的磁路中，有两个永磁体提供磁动势，永磁体工作于串联状态，每块永磁体的截面提供发电机每极气隙磁通，每块永磁体的磁势提供发电机一个极的磁势。
图3-7 切向式转子磁路结构示意图
1—极靴 2—套环 3—垫片 4—永磁体 5—转轴
图3-8 径向式转子磁路结构示意图
1—极靴 2—套环 3—垫片 4—永磁体 5—转轴
与切向式转子结构相比，径向式转子磁路结构的漏磁系数较小。而且，在这种结构中，由于永磁体直接面对气隙，且永磁体具有磁场定向性，因此这种结构中气隙磁感应强度Bδ接近于永磁体工作点的磁感应强度BM，提高了永磁材料的利用率；径向式转子结构的永磁体可以直接烧铸或黏结在发电机转轴上，结构和工艺较为简单；极间采用铝合金烧铸，保证了转子结构的整体性且起到阻尼作用，既可改善发电机的瞬态性能，又提高了永磁材料的抗去磁能力。
（3）转子嵌入式一体化结构
目前，传统发电机组的发动机、发电机是相对独立的。发动机曲轴有前后两端，位于发动机两端；前端装有飞轮，外装启动拉盘；后端是输出驱动，通常用作与发电机的连接。而在高速发电机组中，发电机既用来产生电能，又通过转动惯量计算使其转子转动惯量等于飞轮转动惯量，从而用其转子取代原动机的飞轮，使其成为原动机的一部分，实现了“高速发电机嵌入式一体化结构”。这样，既可大大减小机组轴向尺寸和重量，也从根本上实现了发电机组冷热区的分离，有利于机组散热问题的解决，又减少了机件个数，提高了系统的可靠性。
3.5.3 永磁同步发电机的参数、性能和运行特性
高速永磁同步发电机与电励磁同步发电机的主要区别在于高速永磁同步发电机磁路中有永磁体存在，导致磁路结构有所不同。从前面的分析可以看出，永磁体在高速永磁同步发电机中主要有以下两个作用：
1）作为发电机的励磁源。用永磁体励磁，使它对外磁路提供的磁势FM和磁通ϕM可随外磁路的磁导和电枢反应磁通在小范围内变化，并可以由此引起漏磁通的变化，从而影响电枢反应磁势在小范围内变化，并可以由此引起漏磁通的变化，从而影响电枢绕组的感应电势。
2）构成较大磁阻的磁路段。由于永磁体的磁导率与空气磁导率接近，在电机磁路中对直轴电枢反应磁势来说是一个很大的磁阻。因此，电枢反应磁场被削弱，并且除通过永磁体外，还有相当一部分沿漏磁路径闭合，这就决定了高速永磁同步发电机直轴电枢反应电抗比电励磁式同步发电机的直轴电枢反应电抗小。在切向磁化结构中，还可以使直轴电枢反应电抗小于交轴电枢反应电抗。
由于永磁材料磁性能很高，而其磁导率又很小，这就使上述两个特点更加突出，从而使永磁同步发电机在性能、参数、特性、电压调节及电磁设计方法等方面出现了与电励磁同步发电机不同的特点。下面将分析其中两个重要的性能指标——固有电压调整率和输出电压波形正弦性畸变率。为此，需要先讨论励磁磁动势和交、直轴电枢反应电抗的计算。
1.电抗参数和矢量图
永磁同步发电机在空载运行时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E0（V）；在负载运行时，气隙合成基波磁通在电枢绕组中产生气隙合成电动势Eδ（V），计算公式如下：
E0=4.44fNKdpϕδ0Kϕ
Eδ=4.44fNKdpϕδNKϕ
式中 N——电枢绕组每相串联匝数；
Kdp——绕组因数；
Kϕ——气隙磁通的波形系数；
ϕδ0——每极空载气隙磁通（Wb）；
ϕδN——每极气隙合成磁通（Wb）。
电抗参数对同步发电机的性能和特性影响很大。电抗之间有如下关系：
Xd=Xad+Xδ
Xq=Xaq+Xδ
式中 Xad——直轴电枢反应电抗；
Xaq——交轴电枢反应电抗；
Xd——直轴同步电抗；
Xq——交轴同步电抗；
Xδ——漏抗。
直轴电枢反应电抗是指直轴磁路中单位直轴电流产生的交变磁链在电枢绕组中所感应电势的大小。其他电抗的物理意义与其类似。从电抗的物理意义出发，根据永磁同步发电机的磁路特点，其电抗参数与电励磁式同步发电机有两点重要区别。
1）由于永磁体的磁导率低，且它又是磁路的一部分，所以永磁同步发电机的电枢反应电抗Xad、Xaq比电励磁同步发电机的小。
2）对电励磁凸极同步发电机，一般有Xad＞Xaq，这是因为直轴磁路磁导总是大于交轴磁路磁导。从对永磁同步发电机的分析可知，如对于径向磁化结构的发电机，直轴磁路和交轴磁路磁导近似相等，故其电抗也近似相等，即Xad≈Xaq。根据电抗参数可以画出永磁同步发电机不饱和矢量图，如图3-9所示。它的基本规律与电励磁同步发电机相同，但由于Xad接近等于Xaq，所以，IdXad/IqXaq（Id为直轴电流，Iq为交轴电流）将小于电励磁式同步发电机。
电势平衡方程式为
E0=U+jIdXad+jIqXaq+I（R1+jX1）
式中 E0——相电动势；
U——相电压；
图3-9 永磁同步发电机不饱和矢量图
I——相电流；
R1——电枢绕组直流相电阻；
X1——漏电抗。
图3-10 永磁同步发电机外特性
2.外特性、固有电压调整率
同步发电机在负载变化时，由于漏阻抗压降和电枢反应的作用，使端电压发生变化。对高速永磁同步发电机，漏阻抗压降的作用与电励磁同步发电机是相同的，差别较大的是电枢反应的影响。同步发电机通常带感性负载，其电枢反应是去磁的，端电压将随负载增加而下降；漏阻抗压降随负载的增加而增加，它的作用也使端电压下降，因此外特性是下降的如图3-10所示。传统的电励磁发电机可以通过调节转子上的励磁控制输出电压，使其稳定。但是永磁同步发电机制成后，气隙磁场调节困难。因此，为使其能得到大量推广，需要对永磁同步发电机的固有电压调整率进行研究，还要深入研究降低固有电压调整率的措施。
发电机的固有电压调整率是指在负载变化而转速保持不变时出现的电压变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特征，用额定电压的百分数表示，即
ΔU=（E0-U）/Un×100%
式中 U——输出电压。
为了降低电压调整率，必须在给定E0值基本不变的情况下尽量增大输出电压U；而要增大输出电压U，则既要设法降低电枢反应引起的去磁磁通量，又要减小电枢绕组电阻R1和漏抗X1的压降。
1）为了降低电枢反应引起的去磁磁通量，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力Hc大、回复磁导率Rr小的永磁材料；同时，增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应的影响。其次，需要减少电枢绕组每相串联元件数，增加转子漏磁通以削弱电枢反应对永磁体的去磁作用。为此，应选用剩磁密度Br大的永磁材料；并且应增加永磁体提供每极磁通的截面积，这时磁通明显增加，可以有效减小每相串联元件数。
2）为了减小定子漏抗X1，需要选择宽而浅的定子槽形；减少电枢绕组每相串联的元件数，但要注意小的电枢绕组每相串联匝数使短路电流增大；缩短绕组端部长度，适当加大气隙长度，加大长径比等。
3）为了减小电枢电阻，需要减少电枢绕组每相串联的元件数，增大导体截面积。
虽然上述各种措施在一定程度上可以减小固有电压调整率，但将耗用更多的永磁体材料，增大了发电机的体积和重量，且为满足规定的性能指标，对电机参数的要求也非常高，增加了设计工艺的复杂性。更为重要的是，这些措施都无法改变永磁同步发电机“励磁不可调导致输出电压不可调”这一根本的问题。因此，单靠发电机体设计上的改进，这一问题没有得到真正的解决。
3.电动势波形和正弦性畸变率
工业上对同步发电机电动势波形的正弦性有严格的要求，实际电动势（通常指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率来表示。电压波形正弦性畸变率是指该电压波形不包含基波在内的所有各次谐波有效值二次方和的二次方根值与该波形基波有效值的百分比。
为减小调整永磁同步发电机输出电压波形的正弦性畸变率，在设计发电机时，除了要采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组和斜槽等措施外，还应改善气隙磁场波形，它不但和气隙形状有关，还与稳磁处理方法有关。在对电压波形要求严格的场合，需对发电机的极靴形状进行加工，使气隙磁场分布尽可能地接近正弦。
4.损耗与效率
效率高是高速永磁同步发电机的一大优点，这是指在同等条件下与电励磁同步发电机比较而言的，其原因如下。
1）无励磁损耗和电刷集电环摩擦损耗。
2）转子表面光滑，使得发电机旋转时的风阻损耗大为降低。
3）当发电机负载增大时，永磁同步发电机铁损耗可以近似认为不变；而电励磁同步发电机外特性软，随负载的增大，必须同时增加其气隙磁通量，才能保持输出电压的不变，故铁耗也相应增加，效率降低。
3.5.4 永磁发电机的应用
由于永磁同步发电机“励磁不可调导致输出电压不可调”这一根本的问题不可避免，因而决定了永磁发电机的应用方式。
1.工频永磁发电机
工频永磁发电机即发电机从定子绕组输出端即为工频电压。这种永磁发电机充分体现了结构简单、效率高、高可靠性的特点，转子结构上永磁磁极对数同电励磁发电机分别为2对（转速为1500r/min）和1对（3000r/min）磁极，整个发电机单相两线、三相四线输出，虽然永磁发电机电压调整率小，但接近额定负载或过载状况将使发电机输出电压有所下降，同时转速下降对发电机输出电压影响也较为明显。
2.中频永磁发电机
为了提高永磁发电机组的功率/重量比，转子的磁极可达10对左右，原动机转速最高可达6000r/min，发电机输出电能的频率为（以磁极对数为10，转速分别为1500r/min、3000r/min、6000r/min为例）250、500、1000Hz，所以称为中频。而工频为50Hz或60Hz，因而中频永磁发电机发出的电能不能直接使用，需要将发电机发出的三相交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术再将直流变为交流，且在标定的输出功率范围内和一定的转速（频率）变化范围内保持恒频恒压的电压输出。大功率永磁中频发电机结构如图3-11所示。
这种永磁发电机为中频永磁发电机与整流逆变控制单元的组合。图3-11为大功率永磁中频发电机结构图。
整流逆变控制单元的逆变电路采用SPWM正弦脉宽调制控制，如图3-12所示，为单级式脉宽调制波的产生原理。所谓SPWM波形就是与正弦波形等效的一系列幅值相等而宽度不等的矩形脉冲波形。这样第n个脉冲的宽度就与该处正弦波值近似成正比，因此半个周期正弦波的SPWM波是两侧窄、中间宽，脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。
以SPWM三相逆变桥为例进行说明，如图3-13所示为双电平三相四桥臂拓扑结构图。SPWM三相逆变器的主电路由8个全控式功率开关器件（分别是U、V、W、N对应的上管T1、T3、T5、T7和下管T2、T4、T6、T8）构成的三相四桥臂逆变桥，它们各有一个续流二极管反并联。图中Uc为等腰三角形的载波，Ur为正弦调制波，调制波和载波的交点决定了SPWM脉冲序列的宽度和脉冲间的间隔宽度，如图3-12所示，当某相的Ur＞Uc时，该相的上管导通，输出正弦脉冲电压Uo，当Ur＜Uc时，该相的上管关断，输出正弦脉冲电压Uo=0，在Ura负半周，用同样方法控制该相的下管，输出负的脉冲电压序列，改变调制波频率时，输出电压基波频率随之改变，降低调制波幅值Ur时，各段脉冲的宽度变窄，输出电压基波幅值减少。
图3-11 大功率永磁中频发电机结构图
1—端盖安装盘 2—转子安装盘 3—转子总成 4—端盖 5—前级整流稳压器 6—后罩 7—电机定子总成 8—储能稳压模块
图3-12 SPWM信号原理示意图
图3-13 双电平三相四桥臂拓扑结构
在基本正弦脉宽调制控制的原理上，利用神经网络优化计算PWM开关角，使输出电压基波幅值最大，同时负载电流中的高次谐波含量最小。因而电路具有效率高，体积重量小的特点，其电气特性优良，电压精度不超过±1%、THD小于3%、频率波动小于0.1Hz，且可并联、并网工作。目前，主功率器件IGBT的工作频率为20kHz，整机效率在95%以上。若采用新一代的高速IGBT，可设计功率电路工作频率在40～50kHz，这将进一步减小输出滤波器的体积和重量。
由此可见，以上两种永磁同步发电机是一种高品质的电源设备，永磁同步发电机的轻便性、可靠性和高品质电路是战时电源保障和应急电源的最佳设备。但由永磁同步发电机引入了整流逆变环节，成本提高，比同功率电励磁同步发电机的一次性投资大。